寧夏賀蘭山小流域洪水預(yù)報(bào)方法探討

張萬寶，蘇新國(guó)

（寧夏回族自治區(qū)水文水資源勘測(cè)局，750001，銀川）

寧夏賀蘭山小流域洪水預(yù)報(bào)方法探討

張萬寶，蘇新國(guó)

（寧夏回族自治區(qū)水文水資源勘測(cè)局，750001，銀川）

針對(duì)寧夏賀蘭山溝道流域面積小、暴雨洪水突發(fā)性強(qiáng)、洪水預(yù)見期短的特點(diǎn)，在了解國(guó)內(nèi)外洪水預(yù)報(bào)方法及小流域洪水預(yù)報(bào)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過該區(qū)域?qū)崪y(cè)水文資料，分析研究該區(qū)域產(chǎn)匯流規(guī)律，建立降雨徑流相關(guān)圖、時(shí)段降雨強(qiáng)度與洪峰流量相關(guān)圖，嘗試采用主因子經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法解決小流域洪水預(yù)報(bào)的需要。

小流域；洪水預(yù)報(bào)；賀蘭山

寧夏賀蘭山東麓植被稀疏、山勢(shì)陡峭，暴雨洪水突發(fā)性強(qiáng)，災(zāi)害頻發(fā)，洪水極易對(duì)下游銀川市、石嘴山市造成災(zāi)害。由于賀蘭山溝道分布廣、數(shù)量多，流域面積小，暴雨洪水突發(fā)性強(qiáng)，洪水歷時(shí)短，洪水預(yù)報(bào)工作難度大。為減少洪水危害，開展了該區(qū)域水文預(yù)報(bào)技術(shù)研究，以期將災(zāi)害程度降至最低。

一、基本情況

賀蘭山位于寧夏西北部、黃河左岸，東麓南起花石溝，北至柳條溝，山脈呈西南、東北走向，與黃河流向平行。全長(zhǎng)200 km，寬30 km。除大武口溝集水面積574 km2外，其他溝道流域面積均小于200 km2，其中集水面積大于50 km2的13條。

賀蘭山東麓植被稀疏、山勢(shì)陡峭，暴雨洪水頻繁，地面徑流以暴雨洪水形式出現(xiàn)，危害較大的主要有大武口溝、大風(fēng)溝、汝箕溝、大水溝、蘇峪口溝等。特別是1998年5月20日，白寺溝、蘇峪口溝、賀蘭口溝發(fā)生超百年一遇洪水。金山攔洪庫(kù)東堤多處決口，15萬人受災(zāi)，4 000多人無家可歸，近10萬畝（1畝=1/15 hm2，下同）農(nóng)田被淹，5萬畝絕產(chǎn)，直接經(jīng)濟(jì)損失2.0億元。2006年7月14日，賀蘭山地區(qū)普遍產(chǎn)生洪水，部分溝道發(fā)生50年一遇洪水，造成19.5萬人受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失2.3億元。

二、國(guó)內(nèi)外洪水預(yù)報(bào)技術(shù)研究進(jìn)展

1.國(guó)外研究進(jìn)展

日本國(guó)立防災(zāi)科學(xué)研究中心的菅原正于1961年提出水箱模型（Tank Model），該模型在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用情況良好。1969年，加拿大學(xué)者發(fā)表題為《一個(gè)具有物理基礎(chǔ)數(shù)值模擬的水文響應(yīng)模型的藍(lán)圖》的文章，該文被認(rèn)為首次提出了分布式水文模型的概念。分布式水文模型是基于過程描述的模型，能夠克服集總式流域水文模型物理基礎(chǔ)薄弱的缺點(diǎn)，對(duì)水文物理過程的時(shí)空變化描述更貼近真實(shí)情況。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，出現(xiàn)了眾多分布式物理模型，比較典型的有VSAS、IHDM、SHE模型。

2.國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

我國(guó)長(zhǎng)期采用美國(guó)霍爾頓20世紀(jì)30年代提出的超滲產(chǎn)流概念。在20世紀(jì)60年代初，我國(guó)學(xué)者趙人俊在廣泛研究南方流域的基礎(chǔ)上，提出了蓄滿產(chǎn)流的概念。目前國(guó)內(nèi)常用洪水預(yù)報(bào)方法為經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法、傳統(tǒng)水文模型（典型的有新安江模型、河北模型、陜北模型）、現(xiàn)代水文模型（人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、分布式模型）、系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型等。

3.國(guó)內(nèi)中小流域洪水預(yù)報(bào)編制的現(xiàn)狀和難點(diǎn)

盡管當(dāng)今的水文預(yù)報(bào)和方法較多，但精度不高是目前我國(guó)中小河流洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)面臨的普遍問題，中小河流的洪水預(yù)報(bào)已經(jīng)成為水文預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)發(fā)展的一個(gè)瓶頸，以至于水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范中至今尚未制定出其精度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。中小河流洪水的特點(diǎn)決定了中小河流的洪水預(yù)報(bào)與大江大河的洪水預(yù)報(bào)思路不同，其難點(diǎn)可以歸納為以下幾個(gè)方面：

①中小河流的水文資料一般較為缺乏，多屬無資料、缺資料地區(qū)。

②監(jiān)測(cè)站點(diǎn)不足，站網(wǎng)密度不夠。

③由于暴雨的時(shí)空分布極不均勻，中小河流的洪水發(fā)生時(shí)間較短，常規(guī)水文6小時(shí)的報(bào)汛方法很難對(duì)其進(jìn)行有效預(yù)報(bào)。

④現(xiàn)有通用的水文模型直接應(yīng)用于中小河流的洪水預(yù)報(bào)中，缺乏針對(duì)性，無法適應(yīng)洪水的特征，預(yù)見期和預(yù)報(bào)精度難以滿足需求。

三、洪水預(yù)報(bào)方案的研究

1.賀蘭山洪水預(yù)報(bào)的特點(diǎn)

①賀蘭山洪水突發(fā)性強(qiáng)、匯流時(shí)間短、新建站點(diǎn)多、觀測(cè)資料缺乏等特點(diǎn)，決定了山洪預(yù)報(bào)有效預(yù)見期短，方案編制困難，方案精度評(píng)定有別于大江大河。

②方案的編制堅(jiān)持“可靠實(shí)用、技術(shù)先進(jìn)”的原則。以實(shí)際業(yè)務(wù)需求為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合山洪預(yù)警預(yù)報(bào)的專業(yè)特點(diǎn)，選用當(dāng)前成熟、實(shí)用的預(yù)報(bào)方法。

2.主要技術(shù)路線

①根據(jù)賀蘭山區(qū)域的暴雨洪水特點(diǎn)，通過現(xiàn)有的3個(gè)水文站及配套雨量站的資料，分析產(chǎn)流匯流規(guī)律、洪峰出現(xiàn)時(shí)間、洪水總量，建立流域降雨量與徑流量、降雨強(qiáng)度與洪峰流量等相關(guān)圖，以此建立預(yù)報(bào)方案。

②根據(jù)3個(gè)水文站的地貌特點(diǎn)、流域特征等因素，對(duì)其他溝道的流域特點(diǎn)與3個(gè)水文站的代表性進(jìn)行分析后，確定代表流域，對(duì)其他溝道的洪水進(jìn)行預(yù)報(bào)。

3.傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)方案

（1）流域產(chǎn)流規(guī)律

由于賀蘭山地處干旱區(qū)，土壤經(jīng)常處于干旱狀態(tài)，一次降雨使流域達(dá)到飽和的概率極小，當(dāng)雨強(qiáng)超過損失率，超過部分即可變?yōu)榈孛鎻搅鲄R成洪水，產(chǎn)流方式以超滲產(chǎn)流為主。

根據(jù)洪水資料分析，賀蘭山產(chǎn)流根據(jù)公式：

式中，Ri為產(chǎn)流期某時(shí)段凈雨（mm）；Hi為產(chǎn)流期某時(shí)段面雨量（mm）；fi為產(chǎn)流期某時(shí)段損失水量（mm）。

（2）降雨徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)分析降雨徑流相關(guān)關(guān)系為：

式中，R為徑流深（mm）；P為降雨量（mm）；Pa為前期影響雨量（mm）；tr為降雨歷時(shí)（h）。

根據(jù)水文站實(shí)測(cè)各場(chǎng)次洪水所對(duì)應(yīng)的降雨量（P）與凈雨深（R）建立相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)在0.7～0.97之間，相關(guān)性較好。3個(gè)水文站的降雨量與凈雨深關(guān)系中，產(chǎn)流量由大到小分別是汝箕溝、大武口、蘇峪口，反映了流域下墊面條件的差異性（見圖1）。

圖1　流域平均降雨量與凈雨深關(guān)系圖

（3）產(chǎn)流損失量分析

根據(jù)配套雨量站的降雨過程，用試算法分析計(jì)算產(chǎn)流期平均損失量，即從降雨過程中，先假定平均損失量，當(dāng)降雨過程扣除損失后的凈雨量與采用洪水過程計(jì)算的清水量換算的凈雨深相等時(shí)，此時(shí)的平均損失量即為本場(chǎng)洪水的平均損失量。

對(duì)3處水文站實(shí)測(cè)洪水資料進(jìn)行分析，各場(chǎng)次洪水的產(chǎn)流時(shí)段、產(chǎn)流期降雨量與平均損失量建立相關(guān)關(guān)系（見圖2）。

平均損失率fi公式及參數(shù)為：

式中，tc為產(chǎn)流時(shí)段（h）；Htc為產(chǎn)流期降雨量（mm）。

產(chǎn)流前初損量的確定：根據(jù)實(shí)測(cè)洪水場(chǎng)次的產(chǎn)流與降雨過程分析，認(rèn)為第一時(shí)段產(chǎn)流前的降雨量為初損雨量，統(tǒng)計(jì)分析賀蘭山3處水文站初損雨量分別為：大武口、汝箕溝兩站12mm，蘇峪口站8mm。

（4）洪峰流量的預(yù)見期

洪峰出現(xiàn)預(yù)見期主要與流域面積大小、河道長(zhǎng)度、暴雨中心位置等因素有關(guān)。根據(jù)3處水文站各場(chǎng)次洪水最大降雨時(shí)間與洪峰出現(xiàn)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)分析，各站洪峰出現(xiàn)時(shí)間平均為36～85min（見表1）。將此時(shí)間作為預(yù)報(bào)洪水的參考洪峰滯時(shí)。降雨中心的位置處于流域上游，則洪峰出現(xiàn)滯時(shí)較長(zhǎng)，否則洪峰出現(xiàn)滯時(shí)較短。

圖2　賀蘭山區(qū)產(chǎn)流期損失參數(shù)相關(guān)圖

表1　水文站實(shí)測(cè)洪峰滯時(shí)統(tǒng)計(jì)表

（5）洪水預(yù)報(bào)方法

①根據(jù)流域內(nèi)雨量站的降雨量計(jì)算平均降雨量，再根據(jù)降雨徑流相關(guān)關(guān)系，計(jì)算流域凈雨。

②根據(jù)各雨量站諸時(shí)段降雨量，以及流域凈雨量，通過試算確定產(chǎn)流時(shí)段及平均損失量。

③根據(jù)各時(shí)段凈雨，通過匯流單位線，計(jì)算流域斷面出口的洪峰流量。

4.傳統(tǒng)洪水預(yù)報(bào)方法的缺陷

①對(duì)于中小流域，特別是寧夏賀蘭山地區(qū)，由于洪水預(yù)見期特短，從最大降雨強(qiáng)度出現(xiàn)至洪峰出現(xiàn)，蘇峪口、汝箕溝一般在15～60min，大武口在30～90min。

②傳統(tǒng)降雨徑流相關(guān)圖大多用于較大流域的洪水預(yù)報(bào)，該預(yù)報(bào)方案需在降雨過程完成后才能進(jìn)行。一般在最大降雨強(qiáng)度出現(xiàn)后還有中小強(qiáng)度的降雨，因此該種預(yù)報(bào)方法難以滿足預(yù)見期的需要。

5.主因子經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法

由于產(chǎn)流期的長(zhǎng)短在降雨過程中隨降雨強(qiáng)度的變化而變化，在降雨徑流預(yù)報(bào)實(shí)施過程中無法事先知道究竟有幾個(gè)時(shí)段產(chǎn)流，寧夏賀蘭山大部分溝道流域面積較小，匯流時(shí)間及預(yù)見期很短，采用降雨徑流相關(guān)法預(yù)報(bào)達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，因此，本文通過其他方面的研究獲得洪峰流量的預(yù)報(bào)。

（1）影響洪峰流量的主要因子

①降雨因素：降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨時(shí)空分布。

②流域因素：流域面積、流域形狀（溝道長(zhǎng)度、流域?qū)挾龋⒅鳒系辣冉怠?/p>

③下墊面因素：土壤、植被。

對(duì)于一個(gè)特定的流域來講，流域面積、形狀是固定的，下墊面條件也基本一致。因此，降雨是影響特定流域洪峰流量的主要因素。對(duì)大量實(shí)測(cè)暴雨洪水資料進(jìn)行分析，因賀蘭山地區(qū)產(chǎn)流方式為超滲產(chǎn)流，洪峰流量的大小主要取決于降雨強(qiáng)度的大小，即降雨強(qiáng)度對(duì)洪峰流量的貢獻(xiàn)最大。因此，試圖建立降雨強(qiáng)度與洪峰流量的相關(guān)關(guān)系。

（2）最大降雨強(qiáng)度與洪峰流量相關(guān)

根據(jù)3處水文站實(shí)測(cè)洪峰流量（為了3個(gè)站對(duì)照，采用洪峰模數(shù)，即洪峰流量/流域面積）與產(chǎn)流期最大時(shí)段降雨強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)分析（見圖3），其基本符合線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.66～0.85之間，相同降雨強(qiáng)度下汝箕溝站洪峰模數(shù)較大，其他兩站偏小且接近，最大降雨強(qiáng)度與洪峰模數(shù)關(guān)系見表2。

表2　最大降雨強(qiáng)度與洪峰模數(shù)關(guān)系表

四、洪水預(yù)報(bào)方法

1.洪水預(yù)警方案

根據(jù)水文站實(shí)測(cè)洪水資料分析成果，降雨量與凈雨量相關(guān)圖及降雨強(qiáng)度與洪峰模數(shù)相關(guān)圖綜合分析，流域平均降雨量累計(jì)超過10mm，且1 h降雨強(qiáng)度超過5mm即產(chǎn)生徑流。以此作為洪水預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)流域平均雨量超過10mm，且1 h降雨量超過5 mm就啟動(dòng)洪水預(yù)警。

2.洪水預(yù)報(bào)方案

根據(jù)實(shí)時(shí)水雨情信息和實(shí)時(shí)降雨過程，流域平均降雨量累計(jì)超過10 mm，當(dāng)1 h降雨量超過5mm時(shí)，按照實(shí)測(cè)降雨強(qiáng)度，啟動(dòng)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，預(yù)報(bào)洪峰流量、洪水量及洪峰出現(xiàn)時(shí)間。

（1）洪峰流量預(yù)報(bào)

根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的流域內(nèi)配套雨量站的時(shí)段降雨量資料進(jìn)行分析預(yù)報(bào)。當(dāng)時(shí)段降雨量超過預(yù)警雨量后，根據(jù)表2中的經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)報(bào)洪峰模數(shù)推求洪峰流量。當(dāng)最大時(shí)段降雨量出現(xiàn)時(shí)，即為本次降雨形成的最大洪峰流量。

圖3　最大降雨強(qiáng)度與洪峰模數(shù)相關(guān)圖

（2）洪水時(shí)間預(yù)報(bào)

最大時(shí)段降雨量出現(xiàn)即預(yù)報(bào)出洪峰流量，流域內(nèi)降雨中心位于流域中心位置取平均值，降雨中心位于下游取小值，降雨中心位于上游取大值（按平均時(shí)間的30%進(jìn)行加減）。

（3）洪水總量預(yù)報(bào)

根據(jù)本場(chǎng)次降雨的累計(jì)降雨量，計(jì)算流域平均降雨量，由降雨徑流相關(guān)圖計(jì)算流域凈雨量，進(jìn)而計(jì)算洪水總量，由此預(yù)報(bào)出洪水總量。

五、預(yù)報(bào)方案的精度評(píng)價(jià)

1.水文預(yù)報(bào)方案的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

①根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》要求的20%，一般采用降雨徑流預(yù)報(bào)方案進(jìn)行預(yù)報(bào)的，洪峰流量的許可誤差取實(shí)測(cè)值的20%，并以流量測(cè)驗(yàn)誤差為下限。洪峰出現(xiàn)時(shí)間的許可誤差取實(shí)測(cè)值的30%。

預(yù)報(bào)項(xiàng)目的精度按合格率或確定性系數(shù)的大小分為3個(gè)等級(jí)。甲等：合格率≥85%；乙等：85%＞合格率≥70%；丙等：70%＞合格率≥60%。

②對(duì)于由短歷時(shí)、高強(qiáng)度暴雨形成的小范圍山洪（匯流時(shí)間通常在6 h以內(nèi)的），對(duì)驟發(fā)性洪水的預(yù)報(bào)可不進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。

2.洪水預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)洪水的分析

①根據(jù)制定的預(yù)報(bào)方案與實(shí)測(cè)的30多場(chǎng)次洪水資料進(jìn)行預(yù)測(cè)精度分析，誤差按照《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》要求的20%，綜合合格率洪水總量60%，洪峰流量?jī)H為47%；按照30%精度控制，綜合合格率洪水總量81%，洪峰流量為63%。

②考慮本區(qū)域暴雨的局地性較強(qiáng)，且方案采用的3處水文站配套系列較長(zhǎng)的自計(jì)雨量站少，對(duì)各站大洪水場(chǎng)次重新進(jìn)行誤差分析，按照《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》要求的20%，綜合合格率洪峰流量為78%，洪水總量61%，見表3。

表3　預(yù)報(bào)精度評(píng)價(jià)表

六、綜合評(píng)價(jià)

①賀蘭山地區(qū)多為由短歷時(shí)、高強(qiáng)度暴雨形成的小范圍山洪（匯流時(shí)間通常在2 h以內(nèi)）。根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》，對(duì)于小流域驟發(fā)性洪水，不進(jìn)行預(yù)報(bào)。

②賀蘭山地處寧夏銀川市、石嘴山市，是這兩座城市重要的防洪區(qū)域，極易造成洪水災(zāi)害。為了減少洪水災(zāi)害造成的損失，有必要開展洪水預(yù)報(bào)工作。

③由于流域面積小、匯流速度快，傳統(tǒng)的洪水預(yù)報(bào)方法滿足不了該地區(qū)洪水預(yù)見期極短的需求。本文采用傳統(tǒng)的預(yù)報(bào)方法進(jìn)行產(chǎn)流分析，并結(jié)合區(qū)域特點(diǎn)采用主因子相關(guān)法，由于配套雨量站中具備系列較長(zhǎng)的自計(jì)站較少、代表性差等客觀條件限制，預(yù)報(bào)精度較低。

④該洪水預(yù)報(bào)方案達(dá)到《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》乙級(jí)方案的精度要求，可以用來進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)，解決了本地區(qū)洪水預(yù)報(bào)的問題。■

［1］寧夏水文水資源勘測(cè)局.寧夏暴雨洪水圖集［R］.1986.

［2］寧夏水文水資源勘測(cè)局.寧夏干旱半干旱區(qū)小流域暴雨洪水泥沙研究［R］. 2000.

［3］李巧玲，等.半濕潤(rùn)半干旱流域降雨徑流關(guān)系及下墊面相似性［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)，2015（2）.

［4］沈瑞昌，等.黃土高原小流域次暴雨洪峰流量影響因素分析［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2015（2）.

［5］陳家琦.小流域暴雨洪水計(jì)算［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2004.

責(zé)任編輯張瑜洪

Flood forecastingmethods for Helanshan smallwatersheds in Ningxia

Zhang Wanbao，Su Xinguo

Since the area of valley channel is small，Helanshan small watershed has been suffering from sudden rainstorm due to the time limit of flood forecasting.The rules of runoff generation and production in this area have been examined based on understanding of flood forecast methods home and abroad，and correlation diagrams between precipitation and runoff aswell as between duration rainfall intensity and peek flood.Principal components analysis and experience correlationmethod are adopted for flood forecasting in smallwatershed on a trial basis.

small watershed；flood forecasting；Helanshan

TV877

B

1000-1123（2016）15-0028-04

2016-03-28

張萬寶，高級(jí)工程師。